• 高斯定律

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    高斯定律

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    在物理學和電磁學中,高斯定律,也稱為高斯通量定理,是將電荷分布與產生的電場相關聯的定律。 在其積分形式中,它指出從任意封閉表面流出的電場通量與該表面所包圍的電荷成正比,而與該電荷的分布方式無關。 盡管定律本身不足以確定包含任何電荷分布的表面上的電場,但在對稱性要求場均勻性的情況下,這可能是可能的。 如果不存在這種對稱性,則可以使用高斯定律的微分形式,表示電場的散度與局部電荷密度成正比。

    它是構成經典電動力學基礎的麥克斯韋四大方程之一。 高斯定律可用于推導庫侖定律,反之亦然。

    定性描述

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    高斯定律用文字說:

    通過任何假想封閉曲面的凈電通量等于 1/ε0 乘以封閉在該封閉曲面內的凈電荷。 封閉曲面也稱為高斯曲面。

    高斯定律與物理學其他領域的許多定律在數學上具有密切的相似性,例如磁力的高斯定律和引力的高斯定律。 事實上,任何平方反比定律都可以用類似于高斯定律的方式表述:例如,高斯定律本身本質上等同于庫侖定律,而引力的高斯定律本質上等同于牛頓定律 萬有引力定律,兩者都是平方反比定律。

    該定律可以用向量微積分以積分形式和微分形式進行數學表達; 兩者是等價的,因為它們與散度定理相關,也稱為高斯定理。 這些形式中的每一種又可以用兩種方式表示:根據電場 E 和總電荷之間的關系,或者根據電位移場 D 和自由電荷。

    涉及E場的方程

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    高斯定律可以用電場 E 或電位移場 D 來表示。本節顯示一些帶有 E 的形式; 帶有 D 的形式在下面,其他帶有 E 的形式也是如此。

    積分形式

    高斯定律可以表示為:

    Φ E = Q ε 0

    其中 ΦE 是通過包含任何體積 V 的封閉曲面 S 的電通量,Q 是包含在 V 中的總電荷,ε0 是電常數。

    其中E是電場,dA是代表表面面積的無窮小元素的向量,并且·代表兩個向量的點積。

    在彎曲時空中,電磁場通過閉合曲面的通量表示為

    Φ E = c

    其中 c 是光速; F κ 0表示電磁張量的時間分量; g 是度量張量的行列式;

    由于通量被定義為電場的積分,因此高斯定律的這種表達方式稱為積分形式。

    高斯定律

    在涉及設置為已知電勢的導體的問題中,遠離它們的電勢通過解析或數值求解拉普拉斯方程獲得。 然后將電場計算為電勢的負梯度。 高斯定律使得找到電荷的分布成為可能:導體任何給定區域的電荷可以通過對電場進行積分來推導出,以找到通過一個小盒子的通量,該小盒子的側面垂直于導體的表面并且 注意電場垂直于表面,在導體內部為零。

    當電荷分布已知并且必須計算電場時,反向問題要困難得多。 通過給定表面的總通量提供的電場信息很少,并且可以以任意復雜的模式進出表面。

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    1. 高斯定律
    2. 定性描述
    3. 涉及E場的方程
    4. 積分形式

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